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液态水作为自然界中最重要的溶剂,是地球上各种生命存在的基础,在人们的日常生活和生产中都具有不可替代的作用。对水溶剂特性的研究有助于人们加深对各类溶解现象的物理和化学机制的理解。
本论文以已有的水分子模型为基础,用改变势参数的方法,设计了一系列具有不同特性的溶剂环境,并利用分子动力学方法系统研究了NaCl在不同氢键强度和微观结构的溶剂中的溶解动力学行为,以及在分子极性不同的溶剂环境中DNA构象转变的规律。
第三章通过调节SPC/E水分子模型中Lennard-Jones相互作用和静电相互作用的比例,设计出具有不同氢键强度的溶剂环境。随着Lennard-Jones作用比例从0.6增加到3.2,溶剂的氢键能力从自然水的1.23倍降低到0.60倍。在这些溶剂的NaCl溶液中,溶剂分子和溶质离子的动力学行为以及溶剂的微观结构性质具有很大的差异。溶剂原有微观结构的保持和离子水合壳层结构的形成之间的竞争,使得离子溶剂化和离子成簇之间保持动态平衡。分析表明自然水具有恰当的氢键水平,能使NaCl得到最充分的解离。无论水的氢键能力增加还是减小,离子成簇的几率都会增加。这些现象说明恰当的Lennard-Jones相互作用,对水的自然性质非常重要。
第四章研究了NaCl溶解的非理想程度和溶剂微观序参数之间的关系。结果表明,在溶剂平移序参数最大时,离子在溶液中的分布最均匀,成簇几率最小。这是由于当溶剂的平移序参数较高时,其两体熵具有最大值,此时溶剂分子最容易在离子周围形成稳定的水合壳层。
第五章研究了NaCl和KCl的TIP3P水溶液中离子成簇行为与几种常用的离子参数之间的关系。结果表明,相对于Dang参数和Amber参数,根据OPLS参数计算得到的离予成簇平衡常数和实验符合较好,能更好地描述强电解质的非理想溶解行为。比较表明,在离子参数的选取中还必须注意选择合适的方法来计算不同离子间相互作用的σmn参数。对Dang和OPLS参数,用几何平均方法求σmn比通常采用的算术平均方法更好。因为根据前者计算得到的离子成簇几率更接近于实验值。
第六章中我们通过调节SPC水分子中各原子的电荷来控制水分子的极性,并研究了一个由12对碱基构成的EcoRIDNA双链d(CGCGAATTCGCG)在5种极性不同的溶剂中的构象变化规律。